小学科学对比实验涉及三种最基本的变量：自变量、因变量、控制变量。在小学阶段，不出现这三个概念。自变量即实验中要改变的条件；因变量即实验中所要观测的变量；控制变量即实验中保持不变的条件。
变量的设计与调控，是实验方案设计的核心，关乎实验的有效性与成败，关乎实验教学的质量。在实验教学中，应遵循变量设计的规范，灵活控制变量，以求达到期望的实验效果。
一、自变量的操纵设计
自变量又称操作变量，是实验者可以自由操作的变量。它的变化会引起因变量的相应变化，应科学设置、规范操作。
1．自变量的单一性：小学科学对比实验多是进行单因素比较，着重分析自变量与因变量之间的因果关系。要使因变量的变化完全是因为这个单一的自变量的变化引起的，除了要有效控制“控制变量”，还应做到自变量的单一性，即实验组和对照组只有一个量不司，且在实验过程中确保“单一变量”的操作规范，尽可能避免控制变量的干扰。
2．自变量的可操作性：为了保证科学探究结果的可重复性，需要对一些术语或已经确认的自变量进行准确而简练的描述，即对自变量下操作定义，赋予自变量特定的内涵和操作方法，以便实验者或他人易于操作，重复实验。
3．自变量的差异性：对自变量的有效操纵是为了引起因变量的显著变化，以此来研究自变量对因变量所起的作用，所以，不同水平自变量的差异差异要大。可以用出现不出现（或有无）、强弱、高低、大小、多少等来表示。当只设置两种不同水平时，设计方法有两种：一种是实验中设置实验组和对照组，实验组施加自变量，对照组不施加自变量，即用出现或不出现自变量来观察实验结果。另一组是不设对照组，只在两个实验组之间进行比较，自变量都出现，要使自变量的作用能充分显示出来，不同水平间要有足够大的差异。
4．自变量的等距性：若要从实验现象或数据中看出实验效果的大致变化趋势，设置自变量的水平时，一般不能少于3个，不同水平的梯度要合理，以几种水平之间的距离大致相等为宜。
5．自变量的“两极性”：设计自变量的水平时，通常要选择两个极端值，这样就可以明显看出自变量的作用。
6．自变量的次序性：不同水平的自变量，应按从强到弱或从弱到强依次排列，逐个实验。这样有利于数据的对比与分析，可以清晰地看出实验效果的变化趋势。多数情况下，从强到弱或从弱到强排列皆可，但有时为了更好地显示实验效果或操作上的便利，要讲究一定的方向性，有时按从弱到强依次出现为宜，有时则相反。
二、控制变量的控制设计
控制变量是指在实验中除自变量以外其他会影响因变量的变量，实验中应严格控制，以求实验的公平性与有效性。
1．保持恒定，以求公平实验：如果要使因变量的改变完全是因为自变量的改变造成的，就必须把其他会影响因变量的变量“控制”起来，保持不变，这是对比实验的基本要求，也是对比实验过程中自始至终要遵循的重要原则。
2．“最小控制”，以求最小影响。
3．科学控制，以求实验的严谨性：控制变量的设计还要警惕“伪公平”，关注实验的严谨性，避免偶然性。
三、因变量的观测设计
因变量是随着自变量改变而改变的一种变量，因变量的变化程度直接与自变量有关，同时也会受到控制变量的影响。因变量是实验中重点观测的对象，应明确观测指标，细致观测，如实记录。
1．下操作定义，明确观测指标：操作性定义的指标应分解到能直接观测为止，且最好使指标数量化，便于记录、统计与比较。
2．基于实验需要，选择记录方式：观察结果的记录方式有两种：定性的文字描述和定量的描述，应根据实验需要，选择相应的记录方式。对比实验大多需要比较精确的定量描述，这就要运用测量工具进行定量化的观测。也有一些实验不需要定量化的观测，而是运用感觉器官，如眼、耳、舌、鼻、手感知事物的外部特点、变化或属性。
3．多次重复观测，提高实验的可信度。
4．精选测量工具，提高测量的精确度。
四、变量的灵活调控
不论是验证性实验，抑或是探究性实验，对教师来说，实验结论总是预知的（也不排除个别新的发现中变化，因为科学是发展的。）所以，在遵循变量设计规范的前提下，老师可利用这个“预知的结论”来“演绎”变量的设计，为学生创造一些结构良好的条件，使学生在亲历像科学家做实验那样的过程中顺利获取想要的实验现象可数据，得出这个“预知”的结论。
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